ANWENDERBERICHT

Optimierung der Steuerung der Kläranlage

Das MACS-System, das von DP System auf der Grundlage von Siemens-Technologien entwickelt wurde, ermöglicht Energieeinsparungen und bietet zusätzliche Ladekapazität für Abwasseraufbereitungsanlagen. Die in Słupsk und Iława implementierte Lösung ermöglicht die Versorgung einer größeren Anzahl von Bewohnern.

DP System hat ein Tool entwickelt, das Technologie- und Softwarelösungen kombiniert. Das Ziel von MACS (Model-based Advanced Control System) ist es, die technologische Effizienz von Kläranlagen zu maximieren und den Energieverbrauch zu senken. Das System kann in fast jeder Behandlungsanlage betrieben werden, die mit Automatisierungssystemen ausgestattet ist. Die Lösung wurde bereits unter anderem in Kläranlagen in Iława und Słupsk implementiert.

Modellbasierte prädiktive Steuerung

MACS wurde seit 2018 entwickelt und ist darauf ausgelegt, den Betrieb biologischer Abwasserbehandlungsanlagen zu unterstützen, die auf integrierten Systemen zur Entfernung organischer Verbindungen und Nährstoffe basieren. Einzelne Komponenten der Lösung optimieren die Leistung technologischer Prozesse. Eine der Schlüsselfunktionen wird von dem Modul ausgeführt, das für die Steuerung biologischer Reaktoren verantwortlich ist.„

Eine Abwasseraufbereitungsanlage ist erforderlich, um einen Reinigungsgrad zu erreichen, der den standardisierten Parametern für den Stickstoff- und Phosphorgehalt entspricht. Das MACS-System optimiert den Abwasserbehandlungsprozess und macht es einfacher, die Umwelteinleitungsanforderungen zu erfüllen. Die angewandten Algorithmen stellen sicher, dass diese Ziele mit minimalem Energieverbrauch erreicht werden. Das System unterstützt auch ein effizientes Biomassemanagement, indem es die externe Rückführung optimiert und verhindert, dass Belebtschlamm in das behandelte Abwasser gelangt.“
sagt Robert Wlaźlak, Direktor der Abteilung für industrielle Automatisierung bei DP System.

DP System - Optimization of wastewater treatment plant control - OpenGraph

Das MACS-System ermöglicht die Maximierung der technologischen Effizienz von Kläranlagen bei gleichzeitiger Reduzierung des Energieverbrauchs.

Das MACS-System wurde unter anderem in der Kläranlage in Słupsk implementiert.

Die implementierten Technologien ermöglichen es, die Menge der in Behandlungsprozessen verwendeten Chemikalien zu optimieren. Die von DP System entwickelte Lösung ermöglicht auch Energieeinsparungen bei den biochemischen Prozessen, die in der Kläranlage durchgeführt werden.„

Biochemische Reaktionen in Kläranlagen gehören zu den am schwierigsten zu kontrollierenden Reaktionen, da an ihnen lebende Organismen beteiligt sind. Diese Prozesse haben auch einen hohen Bedarf an elektrischer Energie.“
sagt Adam Paczesny, kaufmännischer Direktor der Abteilung für industrielle Automatisierung bei DP System.

Die Algorithmen und mathematischen Modelle der Kläranlage, die in der MACS-Lösung verwendet werden, ermöglichen ein vorausschauendes Management der Umgebung für die lebenden Organismen, die Behandlungsprozesse durchführen. Dies führt zu einer höheren Effizienz, insbesondere im Hinblick auf den Energieverbrauch. Dieser Ansatz ermöglicht es auch, die Nutzung der bestehenden Kläranlageninfrastruktur zu optimieren.

Modernisierung der Kläranlage

„Der Ausgangspunkt für die Modernisierungsarbeiten war die Notwendigkeit, die Emissionsstandards einzuhalten, was mit der Senkung der Energiekosten verbunden war. Infolge der durchgeführten Änderungen verbesserte sich die Effizienz um 25 bis 35% Ungefähr 14% davon waren auf eine verbesserte Steuerung zurückzuführen, während der restliche Teil auf den Austausch von Gebläsen durch moderne, energieeffizientere Geräte zurückzuführen war. Bei normalem Betrieb erreicht die Anlage einen Selbstversorgungsgrad von 80%, aber manchmal erreicht er sogar 100%. Das bedeutet, dass wir energieunabhängig sind. Dies ist ein direktes Ergebnis der Implementierung der DP-System-Lösung.“
sagt Kazimierz Stachyra, Leiter der Kläranlage in Słupsk.

Die in Słupsk implementierte MACS-Lösung wird zur Steuerung der Belüftung, der internen und externen Umwälzung und zur Regelung des Betriebs wichtiger Aktuatoren wie Gebläse und Mischer verwendet. Ein Modul zur Dosierung von Gerinnungsmitteln wurde ebenfalls implementiert. Eine wichtige Rolle bei der Sicherstellung des effizienten Betriebs des Steuerungssystems spielt eine umfassende Instrumentierung der Anlage.

„Die Effektivität der angewandten Steuerung resultiert aus der Kombination von fundiertem technologischem Wissen über Kläranlagenprozesse, Fachwissen über Automatisierungsprinzipien und Technik, die auf mathematischen Modellen und prädiktiver Steuerung basiert.“
sagt Kazimierz Stachyra.

Das MACS-System wird zur Steuerung der Belüftung, der internen und externen Umwälzung und zur Regelung des Betriebs von Aktuatoren wie Gebläsen und Mischern verwendet.

MACS wurde mithilfe der Siemens-Technologie entwickelt, die eine traditionelle SPS-Steuerung mit einem Industriecomputer kombiniert.

Die Lösung wurde mithilfe der Siemens-Technologie entwickelt, die eine herkömmliche SPS-Steuerung in einen Industriecomputer integriert. EIN SIMATIC Box PCwurde zusammen mit Kommunikationsmodulen zur Steuerung verwendet. Siemens-Industrie-PCs zeichnen sich durch hohe Leistung, einen weiten Betriebstemperaturbereich und Vibrationsfestigkeit aus und nehmen gleichzeitig nur minimalen Platz im Schaltschrank ein. Sie sind auch so konzipiert, dass sie unter rauen Umgebungsbedingungen zuverlässig funktionieren.

„Wir haben uns für eine Siemens-Lösung entschieden, weil es sich um eine vielseitige Plattform handelt, die die Funktionen einer speicherprogrammierbaren Steuerung mit einem leistungsstarken Industriecomputer kombiniert. Diese Rechenleistung ist unerlässlich für die Integration mit der MATLAB-Umgebung, die verwendet wird, um mathematische Modelle zu implementieren, die biochemischen Prozesse der Kläranlage zu reproduzieren und Berechnungen für die Prozesssteuerung durchzuführen. Dieser Ansatz ermöglichte es uns, die Optimierungsebene problemlos in das Steuerungssystem innerhalb derselben Umgebung zu integrieren.“
erklärt Robert Wlaźlak, Direktor der Abteilung für industrielle Automatisierung bei DP System.

Ein kompakter Industrie-Computer, der SIMATIC Box PC, wird zusammen mit Kommunikationsmodulen zur Steuerung des Systems verwendet.

Vorteile im Bereich Energieeffizienz

Ein bedeutender Vorteil der Implementierung des MACS-Systems ist die allgemein anerkannte Erhöhung der Sicherheit der Prozesse, die von der Einrichtung ausgeführt werden, die es verwendet.

Die Modernisierung wurde so durchgeführt, dass ein Austausch der bestehenden Infrastruktur der Kläranlage nicht erforderlich war. Die vorhandenen Messgeräte, ergänzt um zusätzliche fehlende Messungen, wurden integriert und liefern die für den Betrieb des MACS-Systems erforderlichen Daten. Die von der DP-System-Lösung generierten Steuersignale werden wiederum von der bestehenden Steuerinfrastruktur der Anlage ausgeführt, die nur geringfügig modernisiert wurde. Infolgedessen wurden trotz relativ niedriger Investitionen erhebliche finanzielle und ökologische Vorteile erzielt.

„Während der Modernisierung der Kläranlage haben wir eine zusätzliche, übergeordnete Steuerungsebene eingeführt, die als Unterstützung für den Bediener dient. Nach der Implementierung wählt das MACS-System die optimalen Prozesssteuerungsparameter aus und legt sie automatisch fest.“
sagt Tomasz Chrześcijanek, Projektmanager bei DP System.

Die Implementierung der Lösung dauerte ungefähr sechs Monate, während die Kalibrierung etwa ein Jahr dauerte, sodass die betrieblichen Besonderheiten der Anlage zu verschiedenen Jahreszeiten berücksichtigt werden konnten.

Zu den wichtigsten Vorteilen gehören Energieeinsparungen aufgrund des reduzierten Stromverbrauchs. Es war auch möglich, die Stabilität von Prozessen im biologischen Bereich zu erhöhen. Darüber hinaus sind Mitarbeiter, unterstützt durch Informationen aus dem System, jetzt weniger an der Prozessüberwachung beteiligt, sodass ihre Zeit effektiver genutzt werden kann.

Kazimierz Stachyra, Manager, Kläranlage in Słupsk

Ein weiterer Vorteil, der durch die Modernisierung erzielt wurde, ist die allgemein anerkannte Erhöhung der Sicherheit der von der Anlage ausgeführten Prozesse. Die implementierte Lösung ermöglicht es, eine zusätzliche Ladekapazitätsreserve von etwa 20.000 PE (Bevölkerungsäquivalent) zu erreichen. Dadurch kann die Kläranlage eine größere Menge an Abwasser zur Verarbeitung mithilfe des bereits vorhandenen Reaktors aufnehmen.

„Vor der Modernisierung war die Kläranlage in der Lage, Abwasser von 250.000 Einwohnern aufzunehmen, wohingegen sie jetzt 350.000 versorgt. Dieses Ergebnis wurde unter anderem dank der Implementierung von Optimierungslösungen erzielt. Wir sind mit der Beteiligung von DP System an der Implementierung sowie mit der Leistung des Systems zufrieden. Die angewandten Lösungen erweisen sich sowohl im täglichen Betrieb unserer Kläranlage als auch in kritischen Situationen, wie z. B. in Zeiten starken Abwassereinflusses nach Regenfällen, als wirksam.“
fasst Kazimierz Stachyra von der Kläranlage in Słupsk zusammen.

Modernisierung der Kläranlage in Iława

Eine weitere Anlage, in der die MACS-Lösung, die auf Siemens-Geräten läuft, implementiert wurde, ist die Abwasseraufbereitungsanlage in Iława. In diesem Fall war der Hauptgrund für die Umsetzung die Notwendigkeit, den Stickstoffgehalt in gereinigtem Abwasser zu reduzieren. DP System gewann die Ausschreibung und begann mit dem Austausch von Steuerelementen, Dämpfern und Antriebskomponenten, die für die Umluftsteuerung verantwortlich sind.

Die Modernisierung umfasste die interne und externe Rezirkulation, die Belüftungskontrolle und die Dosierung von PIX-Gerinnungsmitteln. Im Rahmen der abgeschlossenen Arbeiten wurde das externe Umwälzsystem von einem Regelalgorithmus, der auf der Menge des eingehenden Abwassers basiert, auf einen Algorithmus umgestellt, der auf dem Schlammgehalt in den Nachklärbecken basiert. Aufgrund dieser Änderungen war es notwendig, die in den Nachklärbecken installierten Auslassklappen zu automatisieren. Die Modernisierung führte zu einer verbesserten Qualität des aufbereiteten Abwassers. Es wurden auch spürbare Vorteile in Bezug auf Energieeinsparungen erzielt.

„Der Energieverbrauch hängt weitgehend von der Art des Abwassers ab, das in die Kläranlage fließt. Eine schwierigere Ladung erfordert mehr Luft und den Einsatz von Gebläsen, die erhebliche Mengen an Elektrizität verbrauchen. Aufgrund der Variabilität des eingehenden Abwassers mit unterschiedlichen Konzentrationen ist es schwierig, genau zu beurteilen, wie energieeffizient die neue Lösung ist. Bei stabilem Betrieb beobachten wir jedoch eine deutliche Verbesserung der Leistung und eine erhöhte Energieeffizienz der Anlage. Die Steuerung der Dämpfer und das Ausschalten der Gebläse im richtigen Moment ermöglichen es, den Stromverbrauch deutlich zu reduzieren. Dank der Optimierung sind wir jetzt in der Lage, die Möglichkeiten des Abwasserbehandlungssystems voll auszuschöpfen.“
sagt Krzysztof Draszewski, stellvertretender Leiter der Kläranlage in Iława.

Das MACS-System wird in Iława seit mehreren Jahren verwendet. Ähnlich wie bei der Kläranlage in Słupsk dauerte ihre Implementierung etwa sechs Monate, gefolgt von einer etwa einjährigen Anpassung an die spezifischen Bedingungen der Anlage. In einem jährlichen Zyklus wurden alle saisonalen Phänomene, die in der Anlage auftreten könnten, analysiert. Derzeit ermöglicht die angewandte Lösung eine Energieeinsparung von etwa 12% Eine verbesserte Prozesseffizienz bedeutet auch einen höheren Durchsatz der gesamten Anlage und die Fähigkeit, größere Abwassermengen zu verarbeiten.

„Anstelle von Standard-PID-Reglern haben wir Lösungen unter Verwendung eines Prozessmodells und daraus resultierender Vorhersagen implementiert, d. h. MPC-Algorithmen (Model Predictive Control). Die Betriebspunkte für diese Art von Steuerung liegen viel näher an den technologischen Grenzen, was sich automatisch in einer höheren Prozesseffizienz und einem verbesserten Anlagendurchsatz niederschlägt.“ erklärt Robert Wlaźlak von DP System.

„Die von Siemens bereitgestellten Lösungen berücksichtigen nicht nur die vielfältigen Möglichkeiten der modellbasierten Steuerung, sondern bieten auch Unterstützung für künstliche Intelligenz: Maschinelles Lernen (Deep Learning). All dies ermöglicht eine höhere Regelungseffizienz und bietet zusätzliche Möglichkeiten, den Energieverbrauch zu optimieren und eine bessere Prozessleistung zu erzielen.“ betont Michał Urliński von Siemens Polska.

Die implementierte Lösung ermöglicht die Maximierung der Menge an Biogas, die bei chemischen Prozessen gewonnen wird. Ein weiterer Vorteil des MACS-Systems ist die Reduzierung des Zeitaufwands für bestimmte Aufgaben.

„In einigen Aspekten war es möglich, den Arbeitsaufwand zu reduzieren. Das gilt unter anderem für die Steuerung in Nachklärbecken, für die vor der Modernisierung eine manuelle Einstellung der Schieber erforderlich war, um den Schlammgehalt zu regulieren, wohingegen dieser Prozess jetzt vollständig automatisiert ist.“
bemerkt Krzysztof Draszewski.

„Das MACS-System ermöglicht die kontinuierliche Überwachung von Messgeräten. Es ermöglicht unter anderem die Bewertung der Zuverlässigkeit aktueller Messungen. Wenn das System feststellt, dass eine bestimmte Messung unzuverlässig ist, informiert es den Benutzer und wechselt zu einer alternativen Messung oder basiert den Kontrollalgorithmus auf historischen Werten.“
fügt Tomasz Chrześcijanek von DP System hinzu.